[4G&5G专题-114]：部署 - LTE PRACH前导码格式ZC序列的生成规则与规划

Posted 2021-05-23 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 PRACH信道概述

1.1 什么是PRACH信道与随机接入过程

1.2 PRACH信道的时频资源

1.3 PRACH前导码的组成

1.4 PRACH 前导码的格式

第2章 ZC序列概述

2.1 什么是ZC序列

2.2 ZC序列与复指数相位调制的关系

2.3 ZC序列的数学公式

2.4 ZC序列的特点

第3章 PRACH信道的ZC序列

3.1 概述

3.2  为什么需要规划PRACH信道的ZC序列

3.3 PRACH前导序列中根序列长度取值

3.4 PRACH的ZC序列的规划步骤

3.5 Ncs的计算与选择

3.6 根序列的选择

参考：

---

第1章 PRACH信道概述

1.1 什么是PRACH信道与随机接入过程

在任何情况下，如果终端需要同网络建立通信，都需先发起随机过程，向网络申请资源。

随机接入过程：是从终端通过PRACH信道发送随机接入前导码开始的，然后尝试与网络间建立RRC信令连接。

PRACH： Physical Random Access Channel，物理随机接入信道。

 

需要声明的是：

PRACH信道只是随机过程中的一部分，而不是全部，整个随机接入过程除了一开始初始涉及到PRACH信道，大部分时候，涉及的是其他信道，如物理共享信道。
 

1.2 PRACH信道的时频资源

（1）频域资源

PRACH 在频域上占用6 个连续的RB(6*12=72个子载波，1.08MHz带宽 = 72*15KHz）

PRACH的子载波是1.25K, PRACH子载波的个数 = 72*15KHz / 1.25KHz = 864个1.25K的子载波。

其中，上下12-13个子载波为频域保护带宽，一共剩下839（864-12-13）个有效的1.25K子载波，用于承载前导码。
 

（2）时域资源

PRACH在时域上，是由前导码的Format所决定，不同格式的前导码，其时域的时长不相同的，有1ms，2ms，3ms，即1-3个完整的1ms子帧（14个OFDM符号 * N;  N=1,2,3）

前导码的Format由参数prach-ConfigIndex决定。

 

1.3 PRACH前导码的组成

PRACH信道传输的前导码的格式：

前导码由三部分组成：循环前缀CP + 前导码ZC序列 + 保护时隙GP(GT)。

不同的小区覆盖半径，可以选择不同的前导码格式。这也是为什么前导码要分不同格式的原因。

不同的GP保护时间决定了小区的最大覆盖半径，GP时间越长，小区的覆盖面积越大。

由于在设计的时候，GP与CP是正相关的，且近似相等，因此，可以可以说CP决定了小区半径的大小。

前导码格式0-3时，ZC序列的长度（Nzc）固定等于839，正好与子载波的个数相同；//适用与大多数小区半径

前导码格式为4时，ZC序列的长度（Nzc）固定等于139。//适用与超短的小区半径

 

 

1.4 PRACH 前导码的格式

不同格式，主要区别在于：

• CP的时长不同
• 前导序列(ZC序列）的时长不同
• GT保护带 时长不同

 

第2章 ZC序列概述

2.1 什么是ZC序列

Zadoff –Chu序列，顾名思义，就是Zadoff 和Chu共同发现的序列。

ZC序列并不是一个二进制序列，而是一个欧拉复数序列。

也就是说，ZC序列并不是横坐标或纵坐标上一个个点的序列，也不是平面坐标上的任意一个个点的序列，而是复平面坐标上的单位圆上的一个个点组成的序列。

每个点对应一对（I, Q）的幅度值。

ZC序列类似IQ“相位调制” ，通过控制I路和Q路的幅度来控制相位， 不同的是：相位调制中的相位值是相对确定的，而ZC序列中的相位不是固定的，而是一个连续的相位值序列。

且相位的序列值，是可以可变的：序列的长度可变，序列每个离散点相位值可变。

2.2 ZC序列与复指数相位调制的关系

如果把ZC序列的一个个点，作为复指数信号的调制信号，就会得到相位调制的信号。

载波信号：任意频率的复指数信号

调制信号的幅度A：恒定不变, 落在单位元上。

调制信号的相位：满足

 

2.3 ZC序列的数学公式

上述的变化有没有规律可循呢？

当然是有，ZC序列的每个离散点的值，符合一定的数学公式，数据公式中有可变的参数。这就是ZC序列的数学公式。

其中

m：定义了ZC序列中，某一个离散点的索引值，因此0<=m < =N - 1.

q：循环移位的长度，如1,2,3,4,5，表示在根序列的基础之上，一次移动多少位。

N:  根序列长度，定义了在ZC序列中，离散点的个数。

则圆上的点与坐标轴的夹角为：

 

 

2.4 ZC序列的特点

（1）恒包络

任意长度的ZC序列的信号的幅值是恒定的，这也意味着功率恒定，这个好处就是射频器件不用忽大忽小的改变能量。

（2）理想周期自相关

（3）良好的互相关

ZC序列循环移位N后，原序列只与移位后的序列得良好的相关峰值，其它位置的序列相关峰值为0。

除此之外，两个根如果是互质的，生成的序列相关峰值几乎为零。

（4）傅立叶变换后仍是ZC序列

这个性质，简直就是为OFDM系统量身打造，也省去多少运算量。既可以在时域相关，也可以在频域相关，灵活决定姿势，怎么方便怎么来。

OFDM符号采用IFFT变换而来，OFDM符号要想保持正交性，就要求首尾要保持相位的连续性。

OFDM本质是多个并行的子载波采用正交IQ调制，然后相加在一起，以单个子载波对应的时间周期T，离散化后，刚好是一个离散逆傅立叶变换IFFT，这是OFDM调制采用IFFT变换的本质。

（5）对于发端，ZC序列峰均比低（ZC序列时频域都是ZC序列，且幅值恒定），有利于射频功放信号发挥最大的效率。

（6）对于信道估计，ZC序列幅值恒定，其图形可看作一个单位圆。

 

第3章 PRACH信道的ZC序列

3.1 概述

在4G LTE系统中，PSS、SSS、cellRS、DMRS、SRS、PRACH、PUCCH等物理层信号，基本上都涉及到了ZC（Zadoff –Chu）序列信号。

不同信号的ZC序列的个数和内容都不一样。

PRACH信道有自己独特的ZC序列：

• 同一小区，需要64个不同的前导序列。
• 不同的相邻小区，需要不同的64个不同的前导序列。也就是说，相邻小区的前导序列是不同的。否则基站无法区分，前导序列是发给哪个小区的。

 

3.2  为什么需要规划PRACH信道的ZC序列

因为不同小区的ZC序列的个数是相同的，即64个，但不同小区的ZC序列的内容是不同的。

这就需要对小区的ZC序列进行规划。

 

3.3 PRACH前导序列中根序列长度取值

 

3.4 PRACH的ZC序列的规划步骤

 

3.5 Ncs的计算与选择

 

3.6 根序列的选择

参考：

1. 《[4G&5G专题-33]：物理层-浅谈ZC序列的原理以及在LTE PSS中的应用》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/113752716

2. 《[4G&5G专题-41]：物理层-物理随机接入信道PRACH与随机接入过程》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/113838466